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基于节能的实验动物人工环境气流组织数值模拟
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摘要：实验动物设施空调系统对房间热湿、洁净环境的控制起着关键作用,影响实验动物能否健康舒适地生长。实验动物设施作为洁净室的一种,相比于普通空调系统,其空调系统能耗高得多,如何
实验动物设施空调系统对房间热湿、洁净环境的控制起着关键作用,影响实验动物能否健康舒适地生长。实验动物设施作为洁净室的一种,相比于普通空调系统,其空调系统能耗高得多,如何降低能耗是一个很重要的问题。合适的换气次数和室内污染物分布、节能之间存在一定的耦合关系[1],且合适的气流组织是降低换气次数的关键。送风速度、送风口大小、形状、位置、类型,排风速度,排风口数量和位置,笼具布置等因素都会影响气流组织。
欧少华等[2]结合计算流体动力学模拟技术得出采用上送下排辅助顶排风的方式有助于降低室内氨气浓度的结论。孙照燕[3]对严寒地区SPF 鸡场生物洁净室模拟研究了排风口面积、送风口面积、养殖层距地高度等因素对气流组织的影响。解茜等[4]、王燕平等[5]以氨气为代表,对不同气流组织形式下实验动物设施内污染物的浓度和分布进行了分析和比较。蒋新波等[6-8]人模拟分析了实验动物设施房间的内外环境空气压差、实验动物房间内的几种典型气流组织以及不同迎风面的压强分布。唐飚等[9]基于CFD 模拟,通过对具体工程的实验动物设施气流组织的模拟分析,研究实验动物设施房间内最佳的换气次数。
已有的关于实验动物设施的规范主要是实验动物环境及设施[10]和实验动物设施建筑技术规范[11]。本文拟通过一个工程实例,先计算屏障环境实验动物设施房间的夏季空调冷负荷,分析换气次数和冷负荷指标的关系,然后通过数值模拟分析排风口和笼具位置对气流组织的影响,最后给出基于节能的实验动物人工环境气流组织优化建议。
1 负荷计算
某屏障环境实验动物设施位于上海某大学内,面积为179 m2,层高为2.5 m,供大学教学实验用。屏障环境包括混合走廊、行为实验室、小鼠饲养室、大鼠饲养室、过程实验室、灭菌后储藏室、冰箱间、一次更衣室、二次更衣室以及气闸室。空气洁净度为ISO7 级,温度范围为 20℃ ～26℃,湿度范围为40%～70%,最大日温差不高于4℃,最小换气次数不低于15 次每小时,噪声不高于60 分贝。
实验动物设施夏季空调冷负荷包括:通过围护结构传热形成的冷负荷、空调新风冷负荷以及通过室内热源散热形成的冷负荷,包括设备、照明、人体以及动物散热形成的冷负荷。室内照明为T5 型节能灯,设备包括换笼站、动物垫料负压处置柜、万向吸气臂以及笼具等。
实验动物设施空调区冷负荷的计算采用冷负荷系数法[12],通过围护结构传热形成的冷负荷最大为5901 W,出现在下午四点。混合走廊、行为实验室、小鼠饲养室等10 个房间的夏季空调室内设计温度为23℃,设计相对湿度为60%。上海地区夏季空调室外计算干球温度为34.6℃。如表1 所示。各冷负荷占比饼图如图1 所示。
由图1 分析可得,实验动物房夏季空调冷负荷中空调新风冷负荷占比最高,为92.25%,其次是通过围护结构传热形成的冷负荷,占比为6.01%,其余通过设备、照明以及人体散热形成的冷负荷三者之和的占比仅为1.74%。对于常规空调系统,其夏季空调新风冷负荷占比一般在35%～50%,远低于实验动物设施空调系统。将换气次数从每小时1 次依次增加至每小时25 次,分别计算对应的冷负荷指标和新风冷负荷占比。换气次数和冷负荷指标的关系如图2 所示,换气次数和新风冷负荷占比的关系如图3 所示。
由图2 分析可得,实验动物房夏季空调新风冷负荷指标和换气次数呈现线性关系,拟合的直线关系式为y =42.51+33.72x。换气次数每小时每提高一次,实验动物房夏季空调新风冷负荷指标增加33.72 W/m2。当换气次数从每小时25 次降低至每小时15 次,节能率为38.08%;当换气次数从每小时15 次降低至每小时5 次,节能率为61.49%。
由图3 分析可得,当换气次数为每小时1 次,新风冷负荷占比为44.24%。当换气次数为每小时2次,新风冷负荷占比为61.34%。当换气次数达到国家标准推荐的每小时15 次,新风冷负荷占比为92.25%,通过围护结构传热、通过人体、照明、设备等散热形成的冷负荷只占7.75%。分别计算独立通气笼具系统和开放式笼具系统的新风冷负荷,独立通气笼具系统内部新风换气次数设置为每小时15 次,由于独立通气笼具将实验动物所处的小环境与外部大环境隔离开,有效避免了实验动物对外部大环境的污染,故外部大环境对新风换气次数的要求大大降低,设置为5 次/小时,而传统的开放式笼具系统,整个房间的新风换气次数仍需要设置为每小时15 次。采用独立通气笼具系统的小鼠饲养室,新风冷负荷指标为189 W/m2。相对于开放式笼具系统,新风冷负荷指标每平方米降低了317 W,降低率为62.6%。
文章来源：《能源与节能》 网址: http://www.nyyjnzz.cn/qikandaodu/2021/0722/1862.html
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